淺述衛星遙感及幾個圖像處理平臺發展

黃江桃

摘 要：衛星遙感是對地探測的一種重要手段，能夠獲取地物的光譜信息和位置大小等幾何信息，可用于地理信息數據采集與更新、地圖制圖等。衛星遙感具有無國界限制、受限條件少、大面積、速度快周期短等特點，經過專業的遙感圖像處理平臺處理后的遙感影像，可以應用于國防和國民經濟等方面。

關鍵詞：衛星遙感、圖像處理平臺、PCI、PIE、Easy-Sat

前言：20世紀80年代以來，我國相繼發射系列遙感衛星，伴隨著衛星遙感技術的日新月異，人類已經進入天空地一體的全方位全天候對地觀測的時代。隨著遙感技術的進步與應用的推廣，遙感技術與國防安全、城市建設、環境監測等領域的關系越發緊密。多來源、多種類、多尺度的遙感大數據，對遙感圖像處理系統平臺的要求越來越高，也推動著遙感圖像處理技術的發展。本文結合工作實際，淺述衛星遙感的發展及現狀和幾個圖像處理平臺的發展。

一、衛星遙感的發展及現狀

1957年10月4日，前蘇聯發射了世界上第一顆人造地球衛星PS-1，1960年4月1日，美國第一顆遙感衛星TIROS-1氣象衛星進入軌道。國外遙感衛星先后經歷了Landsat、SPOT、IKONOS、QuickBird、IRS、ALOS、WorldView、GeoEye等。SPOT衛星具有鄰軌立體觀測能力，IKONOS、QuickBird、WorldView、GeoEye空間分辨率均能達到亞米級，WorldView-3全色星下點分辨率達到0.31米。國內，1970年4月24日我國第一顆人造地球衛星——東方紅一號升空，此后的幾十年間，陸續發射了國土資源普查衛星、北京一號、環境系列、資源3系列、高分系列、吉林一號、珠海一號、珞珈一號等衛星，包括高光譜衛星、高分光學衛星、雷達衛星、紅外衛星、視頻衛星、夜光遙感衛星等。總體而言，分辨率由低到高，功能趨于多樣化。

二、幾個遙感圖像處理平臺發展現狀

遙感圖像處理對象一般是0級的原始影像產品或是經過系統輻射校正的1級產品，國內外均有專業的遙感圖像處理軟件。國外軟件常用的有PCI、ERDAS、ENVI等。PCI Geomatic軟件是加拿大PCI公司開發的多功能軟件系統，融遙感、GIS、制圖為一體，支持多種不同硬件平臺，功能模塊豐富，操作靈活簡便。PCI GXL（ Geoimaging Accelerator，地理成像加速器）是PCI公司面向海量影像自動化生產提出的新一代解決方案產品，GXL系統是分布式的處理系統，是一個開放的體系架構，可以和用戶的數據存儲系統結合搭建形成數據存儲、數據處理和分發為一體的完整系統。進行圖像處理時，GXL系統根據用戶處理的數據量和需求，自動有效地進行負載分配，利用GPU快速圖形運算能力以及多任務并行分布式處理的特點，大大提高了工作效率。GXL模塊中包含PROSDK二次開發工具包，支持用戶進行二次開發，用戶可以編寫自己的算法模塊然后插入GXL。ERDAS是美國ERDAS公司開發的專業遙感圖像處理與地理信息系統軟件，具有先進的圖像處理技術，友好靈活的用戶界面和操作方式，以模塊化的方式提供給用戶，包括數據預處理、專題制圖、圖像解譯、空間建模等模塊，用戶根據自己的應用需求、資金情況合理地選擇不同功能模塊及其組合。ERDAS二次開發方法主要有基于空間建模工具的二次開發方法、基于C toolkit的二次開發方法和基于EML語言的客戶化方法[2]。ENVI是美國ITT Visual Information Solutions公司的旗艦產品，由遙感領域的科學家采用IDL開發的一套功能強大的遙感圖像處理軟件，覆蓋了圖像數據的輸入/輸出、定標、圖像增強、糾正、正射校正、鑲嵌、數據融合以及各類變換、信息提取、圖像分類等功能和工具，界面靈活，操作簡單。底層的IDL語言可以幫助用戶輕松地添加、擴展ENVI的功能，甚至開發定制自己的專業遙感平臺。

國內遙感圖像處理軟件有通用遙感圖像處理系統IRSA、PIE、Easy-Sat等。IRSA是遙感圖像處理的系列軟件，歷經多個版本。IRSA集遙感圖像原理和GIS功能與一體，其主要功能包括圖像瀏覽、基本處理、糾正、鑲嵌、融合、分類、解譯、地形仿真、光譜處理等遙感圖像處理的通用功能，是一套全中文界面、高效率、多功能的專業遙感圖像處理軟件。PIEOrtho是一款北京航天宏圖信息技術股份有限公司自主開發的遙感圖像處理軟件，提供面向多源、多載荷（光學、雷達、高光譜）的遙感圖像處理、輔助覽譯及信息提取功能，是一套高度自動化、簡單易用的遙感工程化應用平臺[3]。Easy-Sat衛星影像快速處理系統，是面向衛星影像快速生產推出的新一代解決方案，主要包括五大模塊：稀少控制點的衛星影像區域網平差定向與糾正模塊、衛星影像全色與多光譜影像自動配準融合、影像自動勻光勻色、鑲嵌編輯與分幅處理、成果精度質量檢查。

三、現存問題與發展趨勢

現階段，我國“風云”、“資源”、“高分”等系列衛星已進入業務化運行階段，初步具備全天時全天候觀測能力，遙感衛星應用體系初步建成。但距離國際領先水平尚有差距。

在衛星遙感方面，我國自主研發的高分辨率遙感衛星尚少，在高分辨率遙感數據的獲取上，目前很大程度上仍依賴國外衛星數據，對空間發分辨要求高的行業和項目國產遙感影像不能完全滿足，還需購買國外遙感數據。在遙感數據的應用方面，應用推廣支撐體系不完善，應用鏈條不健全，產業化程度較低，數據和資源缺乏共享機制。隨著國外Flock小衛星星座、Skysat小衛星星座的發射以及BlackSky計劃的提出，國內吉林一號、珠海一號、珞珈一號等小衛星的發射，衛星的發展呈現“小”的趨勢。體積小、重量輕、多星組網是未來衛星發展的一個趨勢。建立多功能、多軌道、多星系統組成的空間基礎設施，建成天地協調配套的衛星地面應用系統，形成完整、連續、長期穩定運行的天地一體化系統[4]。對地觀測衛星地面系統和應用體系不斷完善，應用領域深化拓展，應用水平日益提升，應用效益持續提高[5]。

在遙感圖像處理平臺方面，國外遙感圖像處理平臺發展起步較早，在功能上也相對完善和穩定，我國也有自主研發的遙感圖像處理系統，但整體水平仍較落后，特別是在全面性、二次開發能力等方面。隨著衛星影像幅面的增大以及空間分辨率的提高，影像數據量越來越大，高分辨率的影像，融合后的單景影像可以達到十幾乃至幾十G的數據量，目前，國內外的遙感圖像處理平臺仍缺乏對大數據量影像的快速讀取和處理的能力。遙感圖像處理涉及多個環節，如鑲嵌、裁切、融合、勻色等，現行的遙感圖像處理平臺可能只是在某一方面表現出色，但做不到面面俱到，于是催生了很多具有針對性的軟件或工具的誕生，來解決影像處理過程中的痛點和難點，如支持大數據量遙感影像讀取和存儲的PS插件、沃韋勻光勻色模塊等。

今后，隨著我國天空地一體化的對地觀測系統的完善，衛星遙感數據也會越來越豐富，數據量也越來越大，對遙感圖像處理平臺提出新的挑戰。在遙感圖像處理平臺方面，目前的各個系統和平臺可以說是各有優點，在實際的作業過程中，通常是多個系統軟件并用，取長補短。在處理速度上，優化硬件、優化算法、軟硬件結合、分布式處理、提高機器算力等一些方法也會應用到遙感圖像處理系統中，從而能夠適應大數據量的遙感影像的處理需求。

參考文獻：

[1]趙忠明，高連如，陳東，岳安志，陳靜波，劉東升，楊健，孟瑜.衛星遙感及圖像理平臺發展[J].中國圖象圖形學報，2019，24（12）：2098-2110.

[2]劉俊杰，賈永紅，柯美忠.Erdas Imagine二次開發與客戶化方法研究[J].地理空間信息，2003（04）：29-30+33.

[3]廖通逵，任芳，王小華.新一代國產遙感圖像處理軟件PIE5.0[J].衛星應用，2018（11）：66-67.

[4]徐福祥.中國衛星工程的成就與展望[J].航天器工程，2001（03）：4-8.

[5]《2016中國的航天》白皮書[J].中國航天，2017（01）：10-17.

[6]王賓偉.Easy-Sat在天繪一號衛星數字正射影像制作中的應用[J].測繪技術裝備，2017，19（01）：58-59.

[7]鄭立中，陳秀萬.中國衛星遙感與定位技術應用的現狀和發展[C].中國氣象學會.第十三屆全國遙感技術學術交流會論文摘要集.中國氣象學會：中國地質學會，2001：12.